Nanodots de carbono como nanosensores de modo duplo para detecção seletiva de peróxido de hidrogênio

Resumo

Peróxido de hidrogênio (H ₂ O ₂ ) é um produto importante de reações enzimáticas baseadas na oxidase, como a reação de glicose / glicose oxidase (GOD). Portanto, a sondagem de H ₂ gerado O ₂ para conseguir a detecção de vários carboidratos e suas oxidases é muito significativo. Aqui, relatamos um tipo de nanopontos de carbono de emissão dupla (CDs) que podem servir como novos nanosensores de modo duplo com saída fluorométrica e colorimétrica para a detecção seletiva de H ₂ O ₂ . Os nanosensores de modelo duplo são estabelecidos apenas pelos CDs de emissão dupla não decorados, onde mudanças fluorométricas e colorimétricas significativas são observadas com a adição de diferentes concentrações de H ₂ O ₂ na solução de CD, que se beneficiam da realização da detecção a olho nu para H ₂ O ₂ . O mecanismo dos nanossensores pode ser atribuído ao fato de que os estímulos químicos externos, como radicais hidroxila de H ₂ O ₂ provocar a mudança das propriedades da superfície e a agregação de CDs, que dominam a emissão e absorção de CDs. Os nanosensores de modo duplo construídos exibem boa biocompatibilidade e alta seletividade para H ₂ O ₂ com uma faixa de detecção linear que varia de 0,05 a 0,5 M e permite a detecção de H ₂ O ₂ tão baixo quanto 14 mM.

Histórico

Os nanopontos de carbono fluorescentes (CDs) têm despertado muita atenção em pesquisas por suas propriedades físico-químicas exclusivas, como boa biocompatibilidade, baixa toxicidade, fotoluminescência ajustável (PL) e alto rendimento quântico. Por causa dos caracteres acima, os CDs encontraram aplicações potenciais em uma variedade de campos, incluindo, mas não se limitando a, bioimagem, biossensores e dispositivos emissores de luz [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Além disso, devido à sua capacidade de conversão para cima e para baixo, falta de piscar óptico e alta fotoestabilidade em comparação com corantes orgânicos ou pontos quânticos semicondutores (QDs), os CDs são mais adequados para aplicações em nanossensores fluorescentes por aumento de fluorescência ou extinção [10 , 11,12,13,14,15,16,17,18,19].

Peróxido de hidrogênio (H ₂ O ₂ ) é um tipo de oxidante comum, que é sempre usado como desinfetante médico devido à capacidade de esterilização. Além disso, H ₂ O ₂ também é um produto importante de reações enzimáticas baseadas na oxidase, como a reação de glicose / glicose oxidase (GOD). Portanto, a estratégia de detecção por meio da sondagem de H ₂ O ₂ pode ser empregado como uma abordagem promissora para a detecção de carboidratos e suas oxidases. Por esta razão, a detecção de H ₂ O ₂ pode ser usado para monitorar doenças relacionadas ao metabolismo de carboidratos, como diabetes. Atualmente, embora vários sensores de glicose com base na determinação de H ₂ O ₂ foram desenvolvidos usando uma variedade de métodos analíticos, os sistemas de sensores relatados anteriormente são baseados principalmente em um único sinal, como mudança condutométrica, fluorométrica ou colorimétrica [20,21,22]. Recentemente, os avanços na nanotecnologia, especialmente em nanopartículas fluorescentes como QDs de semicondutores e nanopartículas baseadas em carbono emergentes trouxeram o novo H ₂ O ₂ nanossensores. Lu et al. desenvolveu um tipo de micro-híbridos de emissão dupla (DEMBs) combinando CdTe QDs e rodamina para detecção de fluorescência raciométrica de glicose por meio do monitoramento da geração de H ₂ O ₂ [20]. Zhang et al. relataram um nanossensor fluorescente que mostrou uma resposta seletiva e sensível a H ₂ O ₂ através da extinção de fluorescência de CDs [21, 22]. No entanto, esses trabalhos inevitavelmente ocasionaram os defeitos intrínsecos dos QDs baseados em semicondutores com constituintes químicos caros e poluição por metais pesados. Além disso, os nanossensores com base na leitura de sinal único, tanto para extinção de fluorescência ou mudança de cor, podem ter estabilidade de ensaio pobre devido às flutuações de fatores ambientais e aos erros de operação experimental. Por conta das considerações acima, desejamos desenvolver uma nova classe de CDs fluorescentes, cuja fluorescência e cor da solução são muito sensíveis à mudança das concentrações de H ₂ O ₂ . Assim, um nanosensor de modo duplo baseado nesses CDs pode ser obtido para detectar de forma distinta e sensível o H ₂ O ₂ inspecionando simultaneamente as mudanças fluorométricas e colorimétricas da solução de CD, o que é benéfico para a realização da detecção de H ₂ a olho nu O ₂ .

Neste estudo, desenvolvemos um método fácil e conveniente para sintetizar um novo tipo de CD, que exibe uma solução de cor vermelho escuro sob luz visível e emissão fluorescente dupla sob uma lâmpada UV de 365 nm (emissão de fluorescência azul e verde). Os CDs são simplesmente sintetizados através do método solvotérmico com ácido cítrico, ureia e N , N -dimetilformamida (DMF) como fonte de carbono, fonte de nitrogênio e solvente de reação, respectivamente. A fluorescência e a cor da solução são muito sensíveis a mudanças nas concentrações de H ₂ O ₂ . Assim, um nanosensor de modo duplo baseado nesses CDs pode ser obtido para detectar de forma distinta e sensível o H ₂ O ₂ inspecionando simultaneamente as alterações fluorométricas e colorimétricas da solução de CD, o que é benéfico para a realização da detecção de H ₂ a olho nu O ₂ . Sem a introdução de nenhum instrumento caro, um nanosensor de modo duplo baseado nesses CDs foi estabelecido. Este sistema de detecção pode efetivamente evitar os erros de operação em potencial e melhorar significativamente a confiabilidade da medição. Além disso, os nanossensores baseados em CD são promissores na aplicação da detecção de glicose no sangue tanto in vivo quanto in vitro devido à sua boa biocompatibilidade e alta solubilidade em água.

Métodos

Síntese de CDs

Os CDs foram preparados usando um método solvotérmico com ácido cítrico como fonte de carbono, uréia como fonte de nitrogênio e DMF como co-reagente. Em um experimento típico, ácido cítrico (1 g) e ureia (2 g) foram dissolvidos em 10 mL de DMF. A solução foi então transferida para uma autoclave revestida com poli (tetrafluoroetileno) de 25 mL e aquecida a 160 ° C durante 4 h. Após a reação, a autoclave foi naturalmente resfriada até a temperatura ambiente. Foi obtida uma solução vermelha escura. Os CDs foram precipitados pela adição de 5 mL de solução de reação em 25 mL de etanol abundante e centrifugados a 7500 rpm por 30 min. Em seguida, a precipitação foi dialisada para obtenção de CDs puros. Os CDs preparados foram coletados e secos em uma estufa de secagem a vácuo a 60 ° C e sob <1 Pa por 12 h. Em seguida, os CDs foram redissolvidos em água desionizada para formar 0,75 mg mL ⁻¹ Solução de CD para pesquisas futuras. E o H ₂ subsequente O ₂ -CDs tratados foram coletados e secos com o mesmo método para a caracterização da morfologia de superfície e propriedades estruturais.

Medições

A morfologia da superfície dos CDs foi caracterizada por um microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRTEM, JEOL JSM-IT100). As propriedades estruturais dos CDs foram avaliadas por um difratômetro de raios-X (XRD, PA National X'Pert Pro) e um espectrômetro micro-Raman (Renishaw RM 2000). Os espectros de absorção dos CDs foram medidos em um espectrofotômetro Hitachi U-3900 UV-Vis-NIR. Os espectros de fluorescência dos CDs foram medidos por um espectrofotômetro (Hitachi F-7000). O rendimento quântico de fluorescência dos CDs foi obtido pelo espectrômetro Horiba FL-322 com esfera integradora calibrada. As curvas de decaimento de fluorescência dos CDs também foram medidas pelo Horiba FL-322 usando um NanoLED de 405 nm monitorando a emissão em 450 e 500 nm, respectivamente. O espectro infravermelho da transformada de Fourier (FTIR) dos CDs foi registrado em um espectrômetro Bio-Rad Excalibur (Bruker Vector 22). A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foi registrada em um espectrômetro de fotoelétrons de raios-X ESCALAB MK II usando Mg como fonte de excitação.

Estabelecimento dos nanossensores CD

Para a detecção do H ₂ O ₂ , os espectros de fluorescência e absorção dos CDs na presença de H ₂ O ₂ foram examinados em tampão PBS (pH =7,4, a 25 ° C). Em um experimento típico, uma quantidade diferente de H ₂ O ₂ foi misturado com água destilada primeiro e, em seguida, 20 μL 0,75 mg mL ⁻¹ A solução de CD foi injetada em 4 mL de H ₂ O ₂ solução com diferentes concentrações (0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,25, 0,5, 1,0 e 2,0 M). Em seguida, as fotografias, fluorescência e espectros de absorção foram tirados após os CDs serem adicionados ao H ₂ O ₂ solução.

A seletividade dos nanosensores baseados em CD também foi avaliada. A solução de CD (20 μL, 3,75 μg mL ⁻¹ ) foi misturado com diferentes tipos de cátions e oxidantes (4 mL, 0,1 M) e, em seguida, a solução foi agitada por 1 min. Por fim, os espectros de absorção e fluorescência de UV-Vis da solução foram registrados após os CDs serem adicionados ao H ₂ O ₂ solução.

Resultados e discussão

Caracterização dos CDs

A morfologia dos CDs preparados foi medida por microscópio eletrônico de transmissão (TEM). Conforme mostrado na Fig. 1a, os CDs estão bem dispersos com uma faixa de tamanho uniforme de 2,5–6,5 nm e um diâmetro médio de cerca de 5 nm (Arquivo adicional 1:Figura S1b). Além disso, a imagem HRTEM (inserção da Fig. 1a) mostra as franjas de difração em torno de 0,21 nm que estão de acordo com o (100) do grafite. Os padrões de XRD dos CDs mostrados na Fig. 1b exibem um pico amplo em torno de 23,4 °, que corresponde aos átomos de carbono altamente desordenados com uma estrutura de carbono semelhante ao grafite. Os espectros Raman dos CDs (Fig. 1c) revelam duas bandas:Banda D (em cerca de 1347 cm ⁻¹ , que era devido às vibrações de sp ³ -carbono hibridizado com imperfeição e desordem) e banda G (em cerca de 1577 cm ⁻¹ , que foi associado ao E _2g modos de vibração de sp ² -carbono hibridizado em uma estrutura cristalina hexagonal bidimensional). Os espectros FTIR dos CDs (Fig. 1d) apresentam amplas bandas de absorção de vibração de O – H / N – H em 3100–3600 cm ⁻¹ , as vibrações de alongamento de C =O / C =C em torno de 1690-1610 cm ⁻¹ e as vibrações de alongamento de N – O em torno de 1350–1390 cm ⁻¹ . Os dados acima indicam que pode haver alguns grupos funcionais na superfície dos CDs, e esses grupos funcionais podem desempenhar um papel importante na alta hidrofilicidade e estabilidade dos CDs em solução aquosa.

a Imagem TEM dos CDs. Inserções mostrar a imagem HRTEM dos CDs. b Padrão XRD dos CDs. c Espectroscopia Raman dos CDs. d Espectroscopia FTIR dos CDs. e Variação de fluorescência de CDs após adição de 0,5 M H ₂ O ₂ . Inserções mostrar fotos de CDs antes ( esquerda ) e depois ( certo ) adicionando o H ₂ O ₂ sob luz ultravioleta. f Variação colorimétrica de CDs após adicionar 0,5 M H ₂ O ₂ . Inserções mostrar fotos de CDs antes ( esquerda ) e depois ( certo ) adicionando o H ₂ O ₂ sob a luz do dia

O comportamento fluorescente dos nanossensores baseados em CD em relação ao H ₂ O ₂ foi medido nas soluções aquosas de CD mostradas na Fig. 1e. Sob uma excitação de comprimento de onda único em 365 nm, as soluções de CD ilustram espectros de emissão assimétricos, que poderiam ser ajustados por bandas fluorescentes de emissão dupla centradas em 450 e 500 nm, correspondendo a bandas fluorescentes azuis e verdes, respectivamente. Quando as soluções de CD são misturadas com H ₂ O ₂ , a intensidade da faixa azul demonstra uma diminuição maior do que a da verde. Consequentemente, as emissões mais fortes dos CDs passam de 450 para 500 nm a partir dos resultados das matrizes de excitação-emissão dos CDs após a adição do H ₂ O ₂ (Arquivo adicional 1:Figura S2). Como resultado, a cor da fluorescência das soluções de CD muda de azul para verde sob uma iluminação de lâmpada UV de 365 nm (inserção da Fig. 1e). Além disso, as soluções de CD experimentam simultaneamente uma mudança colorimétrica de vermelho escuro para verde após adicionar o H ₂ O ₂ (inserção da Fig. 1f). Esta mudança de cor pode ser atribuída à evolução da intensidade das bandas de absorção em torno de 555 e 595 nm causada pela adição de H ₂ O ₂ na solução de CD (Fig. 1f). Juntos, esses resultados confirmam que os CDs podem ser usados como um nanossensor de modo duplo para a detecção de H ₂ O ₂ .

Mecanismo de detecção

Para investigar o mecanismo de detecção, a morfologia e as propriedades de fluorescência dos CDs após a adição de H ₂ O ₂ também foram caracterizados. Conforme ilustrado no arquivo adicional 1:Figuras S1a e S1c, a adição de H ₂ O ₂ na solução de CD pode levar à agregação de CDs, cujos tamanhos variam de 30 a 60 nm. O H ₂ O ₂ -a agregação induzida de CDs também foi revelada nos espectros de absorção normalizados (Arquivo adicional 1:Figura S3); a saber, a banda de absorção dos CDs muda para o vermelho de 555 para 595 nm na região do visível [15]. Correspondentemente, a cor da solução de CD varia de vermelho escuro a verde, junto com o estado de dispersão de CDs transformando-se em um estado de agregação. Os espectros de XRD (Fig. 1b e arquivo adicional 1:Figura S4) dos CDs antes e depois de adicionar H ₂ O ₂ altere pouco, indicando que não há mudanças na estrutura cristalina dos CDs.

A evolução da fluorescência dos CDs preparados com a adição de H ₂ O ₂ foi investigado por espectros de fluorescência. As matrizes de excitação-emissão mostram que a adição de H ₂ O ₂ faz com que os centros emissores dos CDs passem de 450 para 500 nm (Arquivo adicional 1:Figura S2). As curvas de decaimento de fluorescência mostradas na Fig. 2a para os CDs com a emissão em 450 e 500 nm podem ser bem ajustadas por uma função de decaimento monoexponencial com uma vida útil média de 7,96 e 7,12 ns, respectivamente (sob excitação de 365 nm). Em contraste, o tempo de vida de decaimento de fluorescência dos CDs após o H ₂ O ₂ o tratamento se transformou em 4,53 e 4,83 ns (Fig. 2b e Tabela 1). Enquanto isso, o rendimento quântico PL ( η _int ) de CDs mudou de 5,5 para 4,6% quando o H ₂ O ₂ foi adicionado à solução de CD. Considerando a mudança do tempo de vida da fluorescência e do rendimento quântico PL, pode-se concluir que a transferência de carga (CT) pode ocorrer entre CDs e H ₂ O ₂ , que poderia ser um gatilho para fazer a mudança dos espectros PL dos CDs.

a , b Decaimento da fluorescência de CDs antes de ( a ) e depois ( b ) adicionando 0,5 M H ₂ O ₂ . c , d XPS (N1s) de CDs antes ( c ) e depois ( d ) adicionando 0,5 M H ₂ O ₂

Os espectros de FTIR e XPS dos CDs foram medidos para dar uma visão sobre a composição química e mudanças ambientais causadas pelo H ₂ O ₂ . Os espectros de FTIR de CDs antes e depois de adicionar H ₂ O ₂ mostrado no arquivo adicional 1:A Figura S7 ilustra que as vibrações de alongamento de N – O em cerca de 1350–1390 cm ⁻¹ aumentar com a adição de H ₂ O ₂ , o que também é confirmado pelo resultado dos espectros XPS. É observado a partir do levantamento completo dos espectros XPS (arquivo adicional 1:Figura S8) que a razão O para N dos CDs antes e depois do H ₂ O ₂ o tratamento foi de 1,57 e 3,85, respectivamente. A proporção crescente de O / N revela que os estados de ligação de N nos CDs podem mudar com a adição de H ₂ O ₂ , que está em linha com os espectros N1s XPS de alta resolução mostrados na Fig. 2c, d. A partir do resultado dos espectros N1s XPS, o conteúdo de grafite N nos CDs foi aumentado com a adição do H ₂ O ₂ . Além disso, há um pico adicional de estado N – O em 407,3 eV nos espectros de N1s após a adição do H ₂ O ₂ , o que obviamente demonstra que a importação do H ₂ O ₂ provoca a variação dos estados de superfície nos CDs. Todas as pesquisas manifestam que o quadro N da superfície pode ser alterado pela adição do H ₂ O _2.

Relatórios anteriores sugerem que as bandas de emissão dos CDs estão relacionadas aos estados de superfície, como radicais dopados com N e grupos de ureia [5, 9, 12, 23,24,25]. Enquanto isso, esses estados de superfície são sensíveis a estímulos físicos ou químicos externos. Com base na análise fotofísica e ambiental de superfície, propomos o mecanismo de evolução da fluorescência com a introdução do H ₂ O ₂ (Fig. 3). O estado de borda dos CDs preparados é constituído pelos grupos N pirrólicos conjugados. Este tipo de estado N pode estar localizado principalmente em alto nível de energia. Assim, o elétron excitado pode relaxar não radiativamente para o estado N de superfície de alto nível e, em seguida, transferir radiativamente para o estado fundamental acompanhado de bandas de emissão de fluorescência em torno de 450 nm. In contrast, the fluorescence intensity of the CD solution slightly decreases because of the dynamic quenching between the H₂ O ₂ and the CDs, where the CT arises between CDs and H₂ O ₂ similar to the previous reports [26,27,28,29]. Otherwise, it could be deduced that the high-energy fluorescence radicals (related N state) are transformed into the lower-energy N–O state in virtue of the impact of hydroxyl radical from the H₂ O ₂ . So, the excited electron may mostly relax with a radiative transition from the lower-energy N–O state to ground state with a green emission band at 500 nm, which also results in the static quenching of 450-nm fluorescence. Therefore, the major emission bands of CDs could present a change from the blue emission to the green emission.

The possible sensing mechanism for CDs before (left ) and after (right ) adding H₂ O ₂

Evaluation of the CDs Nanosensors

On the basis of the above fluorescent and colorimetric behavior of the CDs, we have developed a nanosensor to detect H₂ O ₂ by the CDs. The proposed sensing system is consisted of CDs with proper concentration in aqueous solution (3.75 μg mL⁻¹ , Additional file 1:Figure S9), where the CDs serve dual function as both colorimetric and fluorometric reporters in this system.

The proposed nanosensing system based on the CD solution is illustrated in Fig. 4. The fluorometric and colorimetric change caused by H₂ O ₂ could be distinctly visualized by the naked eye (Fig. 4c, f), where a series of noticeable color change from blue to green and from dark red to green can be observed under UV light and daylight illumination. Besides, the addition of H₂ O ₂ into the CD solution can also be expressed quantitatively with the fluorescence and absorption spectra (Fig. 4a, d). As shown in Fig. 4a, the fluorescence band centered at 450 and 500 nm decreases gradually with the increase of the H₂ O ₂ concentration from 0 to 2 M. However, the increase of the H₂ O ₂ concentration leads to the different decrease of fluorescence intensity at 450 nm (I ₄₅₀ ) and 500 nm (I ₅₀₀ ), which accords well with the fluorescence color change in the CD solution (Fig. 4c). Therefore, the ratio of the fluorescence intensity at 500 nm to that at 450 nm is selected to monitor the H₂ O ₂ concentration (Fig. 4a, b). The lower ratio is related to the blue emission, while the green fluorescence can be observed by the naked eyes at a higher ratio of I ₅₀₀ to I ₄₅₀ . The linear detection range by these means spans from 0.05 to 0.5 M with a linear correlation R ² = 0.987. Similarly, the colorimetric change occurs in the CD solution on account of the inhomogeneous decrease of the absorption band at 555 and 595 nm. As displayed in Fig. 4d, the absorption intensity decreases in the visible region, but the increase of the H₂ O ₂ concentration results in that the absorption around 595 nm decreases more slowly than around 555 nm. Hence, the ratio of the absorption at 595 nm (A ₅₉₅ ) to that at 555 nm (A ₅₅₅ ) could be also used to measure the H₂ O ₂ concentration. The ratio of A ₅₉₅ to A ₅₅₅ increases exponentially from 0.05 to 2 M with an exponential correlation R ² = 0.999, and the colorimetric change correlates well to the H₂ O ₂ concentration range from 0.05 to 0.25 M with the linear detection limit (LOD) of 14 mM (Additional file 1:Figure S11 and Table S1). The dual-mode nanosensors have a proper sensitivity of this method satisfying the clinical and medicinal requirements due to the concentration of H₂ O ₂ through the GOD reaction ranging around millimolar (~10 mM) in plasma [20]. In addition, the dual-mode nanosensors have an intrinsic built-in calibration reference, so intensity fluctuation and other externally caused factors can be eliminated, which contributes to the promotion of the testing accuracy.

a Fluorescence spectra of CDs in the presence of different H₂ O ₂ concentrations. b Calibration curve of I ₅₀₀ / eu ₄₅₀ of the CDs vs. H₂ O ₂ concentration. Insets show the linear detection range of I ₅₀₀ / eu ₄₅₀ of the CDs vs. H₂ O ₂ concentration. c Photographic images of the fluorescence CD solution under different concentrations of H₂ O ₂ . d UV-Vis spectra of CDs in the presence of different H₂ O ₂ concentrations. e Calibration curve of A ₅₉₅ /A ₅₅₅ of the CDs vs. H₂ O ₂ concentration. f Photographic images of the CD solution under different concentrations of H₂ O ₂

To evaluate the selectivity of the nanosensors toward H₂ O ₂ , interference assays were performed under identical conditions using some common cations, such as Na⁺ , K⁺ , NH⁴⁺ , Ca²⁺ , Zn²⁺ , and Fe²⁺ . As shown in Fig. 5a, b, the fluorometric and colorimetric changes of the CDs have been surveyed in the presence of different cations. In the presence of Na⁺ , K⁺ , NH₄ ⁺ , Ca²⁺ , Zn²⁺ , and Fe²⁺ , the fluorescence ratio of I ₅₀₀ to I ₄₅₀ and the absorption ratio of A ₅₉₅ to A ₅₅₅ appear only as a slight variation compared with the blank sample, which mean these cations have little interference on the detection of H₂ O ₂ . Moreover, we have also compared the impact on the CDs with other oxidants, such as HNO₃ , KClO₃ , FeCl₃ , NaClO, K₂ Cr₂ O₇ , and KMnO₄ (Fig. 5c, d and Additional file 1:Figures S12 and S13), and we found that the fluorescence color changes from blue to green with the addition of these oxidants except K₂ Cr₂ O₇ and KMnO₄ . So, we can rule out the interference from K₂ Cr₂ O₇ and KMnO₄ through the fluorescence change. In addition, we can easily exclude the impact from other oxidants like HNO₃ , KClO₃ , FeCl₃ , and NaClO from the result of the absorption ratio of A ₅₉₅ to A ₅₅₅ . Hence, the dual-mode nanosensors demonstrated in this paper may be very promising in the high selectivity of the determination due to the synergistic effect of the two independent detection methods [30,31,32,33]. Furthermore, we have measured the response time of the fluorometric change upon the addition of H₂ O ₂ and found that the fluorescence decreases after injecting H₂ O ₂ and is kept stable at about 3.3 s (Additional file 1:Figure S14).

a , c Fluorescence ratio I ₅₀₀ / eu ₄₅₀ of solution containing CDs and various interferent cations (a ) and oxidants (c ) b , d Absorption ratio A ₅₉₅ /A ₅₅₅ of solution containing CDs and various interferent cations (b ) and oxidants (d )

The viability of A549 cell was examined using standard CCK-8 assay for assessing the cytotoxicity of CDs. As shown in Fig. 6, we find that near 80% viability is obtained by incubating the A549 cells with CDs for 48 h even at high concentration of CDs like 500 μg mL⁻¹ . It is calculated that the 50% inhibitive concentration (IC50) of CDs is about 1106 μg mL⁻¹ by the GraphPad Prism 5.0, which deduces the CDs have good biocompatibility and very low cytotoxicity at high concentration. Moreover, we have compared the analytical performance of previously reported nanosensors for the H₂ O ₂ determination shown in Additional file 1:Table S2. The biocompatibility, simplicity, and visualization of the detection are comparable to or even better than most of these reported H₂ O ₂ assays. Considering that the CD-based dual-mode nanosensors have a good selectivity toward H₂ O ₂ detection, the proper detection limit (LOD = 14 mM) at the same order with the blood glucose, and very low cytotoxicity at high concentration of CDs, the nanosensors are promising to be used in the test of blood glucose and other clinical requirements.

Cell viability of A549 cells after 48-h incubation in the different concentration of CDs

Conclusions

In conclusion, we propose a dual-mode nanosensor based on CDs with both colorimetric and fluorometric output for the quantitative detection of H₂ O ₂ based on the fluorometric and colorimetric change of the CD solution upon the introduction of H₂ O ₂ . The nanosensors are simple and facile to achieve naked-eye detection for H₂ O ₂ . The mechanism of the nanosensors can be attributed to the fact that the external chemical stimuli like hydroxyl radicals from H₂ O ₂ bring about the change of surface properties and the aggregation of CDs, which dominate the emission and absorption of CDs. The proposed nanosensors exhibit good biocompatibility, high selectivity toward H₂ O ₂ with a linear detection range spanning from 0.05 to 0.5 M, and a detection limit of around 14 mM, which is comparable to the level of H₂ O ₂ produced by the GOD reactions. It is believed that the strategy reported in this paper may provide a promising approach for developing a novel sensor in blood glucose, which could be valuable in disease diagnosis and environmental testing.

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